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靜電放電的防制

上網時間: 2007年02月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:靜電放電  JESD625  晶圓 

前言:

市場對電子產品的輕薄短小的追求,促使電子元件不斷的縮小尺寸加上大量使用高分子材料,因此使靜電對電子產品的影響日益受到重視,甚至以往不為靜電所動的組裝業也受到一定的壓力。

靜電其實是一個因循了幾十年的不正確的名詞,因為如果電有靜止的那我們今天就不必來研究如何防止其放電為害的問題,而放電就是電子(荷)快速移動的現象,當電荷未移動之前應視為一堆有壓力的電子(荷),就像氣球中有限的氣團不能任意移動,一旦有移動的機會就如氣球被戳破一般,瞬間放盡微小而破壞力驚人的能量。[1]

另外,靜電是一種自然的恩賜,有許多產業是靠靜電獲利的,如影印、塗裝業,更重要的是如果沒有靜電力,這個世界包括你我在內都無法存在。以下本文將延用大家習慣的名詞,以條例的方式減少文字,分享一些電子封裝組裝業對靜電放電破壞的防制方法實戰經驗。

本文將探討以下幾項有關靜電放電防制的要點:

1 靜電放電防制作業規範;

2 靜電放電防制秘訣;

3 靜電發生的原因;

4 靜電防護基本操作;

5 操作人員的靜電防護;

6 靜電吸附的污染;

7 靜電消除器的選擇;

8 半導體產品的靜電破壞故障分析。

1 靜電放電防制作業規範 :

1.1 JESD625-A(Revision of EIA-625)

1.2 ANSI/ESD S20.20

2 靜電放電防制秘訣:[2][3]

2.1 產品不要發生靜電(電荷不平衡的狀況)。

2.2 不要讓產品的靜電荷不安全的放電。

2.3 半導體產品因體積小,放置的背景會影響其靜電電壓的量測,因此量出低的電壓不代表是安全的。

2.4 生產及儲存對靜電放電敏感產品的設備要作靜電接地。

2.5 接觸靜電放電敏感產品的治具使用抗靜電材料。

2.6 確定產品通過生產設備時會產生靜電電荷的位置,並且

2.7 依產品,製程特性選則適當的靜電消除器。

2.8 對所裝置的靜電消除器要嚴格依照計劃檢測保養。

3 靜電發生的原因:[1]

3.1 靜電的產生第一種原因是兩種能帶不同的物質接觸後分離而表面生成不平衡的電荷堆積,凡產品經與生產機具的機構接觸後又分離、經黏貼後又分離其表面必定會產生不平衡的電荷,面積愈大產生電荷愈多,而這兩種物質的能帶也決定電荷多少。

3.2 當靜電產生在絕緣體與未作靜電接地的導體時電荷都會留滯積聚。

3.3 靜電的產生第二種原因是受週遭帶電物體電場感應而產生,物體面積愈大能使被感應的物體產生愈多的電荷。

3.4 移動位置會改變帶的電物體的電容量,從工作面拿起一個小晶片通常不會有問題,但拿起一片晶圓就很可能使其中晶體被靜電放電破壞,光罩或LCD玻璃等大面積物件被拿起離開桌面後因電容量變小使靜電壓升高而造成靜電放電破壞。

3.5 靜電是無塵室裡的必然現象,因為環境較低的相對濕度促使靜電容易存留堆積,靜電除了會因放電造成產品破壞,也可能造成環境災害如火災等,甚至於使精密設備當機。[4]

3.6 高電壓的設施、電纜等外漏的電場也會使附近產品生成感應靜電。

4 靜電防護基本操作:[2][3][4][5][6][7][8]

4.1 防止靜電放電破壞基本上就是有效控制、延緩放電時間。

4.2 對於絕緣體與無法作靜電接地的導體唯有靜電消除器能平衡消除其電荷堆積。

4.3 導體,例如生產機具一定要作接地,接觸靜電放電敏感產品的操作面則要作靜電阻抗接地。

4.4 靜電放電敏感產品不要接觸金屬器械模具,會接觸的工作面要以抗靜電材料製作。

4.5 會產生靜電的必要器材用具要作好隔離管制。

4.6 運送晶圓的塑膠晶舟會產生非常強的靜電電荷,應該在靜電消除器下撕去密封膠帶,等待至少10秒鐘再打開蓋子。

4.7 作業用的晶舟只要移動都要在靜電消除器防護之下。

4.8 電子零件很常用到氣泡布或泡棉包裝,這些包裝材料不要帶到生產線上,尤其是沒有抗靜電處理的材料。

5 操作人員的靜電防護:[5][6][7]

5.1 後端的組裝線基本上以戴靜電接地手環為主,如果地板有靜電接地則可用踝環接地帶或穿抗靜電拖鞋或抗靜電工作鞋較為方便安全。

5.2 無塵室的人員一定是選無塵室等級的抗靜電工作鞋。

6 靜電吸附的污染[9][10]

6.1 有了靜電電荷堆積即使沒有靜電放電也會造成靜電吸附污染。

6.2 任何靜電電荷堆積的物件所生成的電力場對質量微小的空氣懸浮顆粒都有致命的吸引力,尤其是帶極性相反電荷的氣浮顆粒。

6.3 靜電吸附作用造成的污染是無法用一般方法擦拭或吹掉的,而且是愈擦愈髒。

6.4 靜電吸附愈小的污染物其吸附力愈大。

6.5 做好無塵室管理防止污染發生,正確的使用靜電消除器來保持產品常處在低靜電電荷(場)的狀態,才能大幅降低靜電吸附的污染。

7 靜電消除器的選擇:[11][12]

7.1 ISO7以下的無塵室裡一般以離子風扇的使用較經濟,有效面積也較大。

7.2 ISO6以上的無塵室裡5cm到30cm短距離則以靜電消除排(Bar Ionizer)或靜電消除噴氣嘴(Nozzle)較合適中距離。

7.3 60cm以上長距離以及ISO5的環境則應選直流,最好是脈波直流電暈放電方式的靜電消除器。

7.4 無法吹氣的地方可選用無氣脈波直流電暈放電方式的靜電消除器、軟性X光或非常貴的幅射靜電消除器。

7.5 真空的環境可使用紫外線靜電消除器。

7.6 對自動平衡的靜電消除器應針對固定的物件使用,對移動頻繁的物件要考慮其自動平衡的延遲可能反而無法有效消除靜電。

8 半導體產品的靜電破壞故障分析:[13][14][15][16][17]

8.1 檢驗人員的訓練與經驗是故障分析的關鍵。

8.2 原設計廠商的配合才能快速正確的找到故障進而找出原因。

8.3 半導體產品的靜電破壞有前後段之分,前段因還沒有封裝,表面一定可以光學顯微鏡看得到破壞的痕跡,這時受過訓練有經驗的檢驗人員才能分辨出破壞的痕跡。

8.4 到測試站發現漏電的產品,都是已封好的了,如果X光檢查沒有機械性短路常會往靜電破壞的方向去想,要進一步檢查當然要把封材打開。

8.5 如果有原設計廠商的指導也可透過電測的手法,利用一些對漏電流有影響的特性,量測出半導體在特定條件下電流一定的變化,或找到放電擊穿生成的二極體來加以確認故障。

8.6 打開後的樣品要先以光學顯微鏡找破壞的痕跡,然而因有些傷痕很小,有時高倍數(1000倍)的光學顯微鏡都無法看見,就要倚靠電子顯微鏡(SEM)來搜尋被破壞的位置。

8.7 有原設計廠商的指導接上適當電源或信號源就可藉液晶顯示或者微光顯微鏡找到發熱點。

8.8 靜電放電破壞的痕跡通常要有些經驗才看得出來,其現象常會是線條邊淺淺的斑,絕緣層中的導線熔融時熱膨漲造成表面的裂痕一般都要靠電子顯微鏡才能分辨。

8.9 以上所找到發熱點或熔融裂痕位置要進一步藉離子束蝕刻(FIB)切斷面進一步找出真正燒熔處加以確認。

8.10 積體電路只有輸出入端才會受到靜電放電破壞。

9 結論

靜電防護的投資是無法估算還本效益,但是往往防止一次靜電破壞就夠本,只要有靜電產生一定會造成破壞,唯一正確的作法:防護重於治療,靜電放電防制最重設備的維護保持靜電消除設備正常運作,其次才是監測,藉高頻電磁波探測可幫助找到放電位置並排除之。

雖然本文主要探討靜電放電對積體電路的破壞與防護方法,但大部份積體電路在測試出有漏電故障其實並非靜電放電擊穿所造成,晶圓從原料到製造所產生晶格差排及微污染才是佔大比例的重要的原因,可另為文討論。

參考文獻

[1]"STATIC ELECTRICITY" MISCONCEPTIONS - - - William J. Beaty

[2]“Static Charge Effects and Solutions”, Technology in Brief, Ion Systems

[3]“JESD-625A Requirements for Handling Electrostatic Discharge Sensitive (ESDS) Devices.”

[4]ANSI/ESD S20.20-1999 Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment (Excluding Electrically Initiated Explosive Devices), ESD Association, 1999.

[5]ANSI/ESD S20.20 Paragraph 6.2.2.2 Personnel Grounding Guidance

[6]ANSI/ESD S20.20 Paragraph 6.2.3.1. Protected Areas Requirement

[7]ANSI/ESD S20.20 Paragraph 6.2.3.2. Protected Areas Guidance

[8]ESD S4.1 paragraph 8. Resistance Guidelines

[9]“Controlling Electrostatic Attraction of Particles in Production Equipment”, Douglas W. Cooper The Texwipe Company, Upper Saddle River, N.J., Robert P. Donovan, Sandia National Laboratories, Livermore, Calif. Arnold Steinman, IonSystems, Berkeley, Calif.

[10]“Basics of Contamination by Electrostatic Attraction”, Douglas W. Cooper, PH.D., October 1999

[11]EVERYTHING YOU EVER WANTED TO KNOW ABOUT AIR IONIZATION by Arnold Steinman MSEE

Chief Technology Officer ION Systems

[12]“Everything You Ever Wanted to Know About Air ionization”, Source Midwest Chapter, ESD Association.

[13]“Failure through electrical stress” http://www.ami.ac.uk/courses/topics/0181_ftes/

A Study of the Mechanisms for ESD Damage to Reticles by Larry Levit1, Gaurisha Gajjar Desai2 ,Terrence Coates1,

Andrew C. Rudack2

[14]Understanding ESD Damage to Magnetoresistive Recording Heads by Al Wallash

[15]“Techniques and Methods for AHE” John T. Clack 2001 Trek Incorporated

[16]“Impact of ESD protection device trigger transient on the reliability of ultra-thin gate-oxide” by Kin P. Cheung, Bell Laboratories, Lucent Technologies

[17]“Failure analysis techniques for semiconductors and other devices” By V. Lakshminarayanan, member of the IEEE coordinating engineer - failure analysis & reliability, Development of Telematics Centre, Bangalore, India.

作者:

高文正 飛信半導體股份有限公司 資深工程師

jasonkao@ist.com.tw 高雄市前鎮加工出口區南6路5號





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